机器人自动制孔系统动力学特性研究

In robotic drilling system, the static errors resulted from static stiffness are greatly compensated by position and stiffness compensation, but the compensation of dynamic errors due to coupled vibration of drilling system which is caused by shell vibration of workpiece, cutting vibration and additional vibration produced by vibration cutting is very difficult. Meanwhile, the ambient vibration also affects the robotic drilling accuracy. In order to improve dynamic precision, the research on dynamic characteristics of robotic drilling system will be carried out. The main research contents include: Design the end-effector based on Stewart platform and conduct research on coupled vibration characteristics; To suppress the coupled vibration, do research into integrated passive and active vibration control (IPAVC); For the purpose of diminishing the ambient vibration effect on the dynamic accuracy of robotic drilling system, carry on research on coupled vibration characteristic of ambient-robot system; Toward improving drilling stability, conduct research into the optimization design of robotic drilling system. In order to verify the results of theoretical studies, build a simulation drilling environment for the drilling of aircraft's skin to carry out the experimental research.

在机器人自动制孔系统中，应用位置与刚度补偿技术对静刚度不足所造成的静态误差补偿效果较好，但对于工件薄壁振动，钻削振动和振动钻削附加振动引起的钻削系统耦合振动所造成的动态误差补偿效果不佳。同时，环境振动对机器人自动制孔系统的制孔精度也产生一定的影响。为提高机器人自动制孔系统的动态精度，开展机器人自动制孔系统动力学特性研究，包括：设计基于Stewart平台的末端执行器，开展钻削系统耦合振动特性研究；为抑制耦合振动，开展机器人制孔系统多自由度主被动一体化振动控制方法研究；为减小环境振动对机器人自动制孔系统动态精度的影响，开展环境—机器人系统耦合振动特性研究；为提高钻削稳定性，开展机器人自动制孔系统优化设计研究。为验证理论研究的成果，构建飞机蒙皮钻削模拟环境，开展试验研究。

针对自动制孔末端执行器上产生的钻削振动，设计了基于Stewart平台的自动制孔末端执行器，提出了基于压电作动的变刚度半主动振动控制器。建立了机器人自动制孔系统被动振动控制器动力学模型，分析了振动控制系统参数对机器人末端执行器绝对位移传递率的影响。通过优化算法获得了振动控制器最优参数。在此基础上，以压电作动器改变动力吸振器刚度，建立了基于压电作动的变刚度半主动振动控制器模型，得到了动力吸振器最优刚度与外部激励频率的关系，采用中心差分法验证了其振动控制效果优于被动振动控制器。设计了基于压电作动的变刚度半主动振动控制器总体结构，建立了压电执行器的迟滞模型。采用前馈补偿-PI反馈控制对压电作动器进行复合线性化控制。设计了联合仿真实验，验证了振动控制器结构的合理性与控制方法的有效性。针对飞机装配车间中由大型设备和重型车辆引起的环境振动，提出基于准零刚度被动振动控制系统的半主动环境振动振动控制方法。分析了刚度比、结构参数对力-位移和刚度-位移曲线的影响。在保证被动振动控制系统稳定且实现准零刚度特性的前提下，确定了系统参数范围。建立了系统的运动微分方程，通过谐波平衡法求解获得了系统的幅频特性。考虑准零刚度被动振动控制系统的强非线性因素，通过定量分析方法确定了系统稳定的参数临界条件。分析了刚度比、阻尼系数、激励幅值等参数对被动振动控制控制系统绝对位移传递率的影响。依据刚度比对绝对位移传递率的影响，为被动振动控制系统引入了刚度参数调节，实现了对系统振动抑制效果的优化。设计了基于滚珠丝杠直线模组作的机械变刚度实现方案。为了避免外部激励幅值变化对准零刚度被动振动控制系统稳定性的影响，确定了系统的防跳跃条件。采用数值方法，获取了阻尼系数与临界激励幅值的关系，并通过数据拟合得到了解析函数关系式。设计了采用剪切阀式双出杆磁流变阻尼器的变阻尼振动控制机构。设计了ADAMS虚拟实验，验证了半主动环境振动控制方法的有效性。针对末端执行器的钻削振动，进一步研究设计了基于冲击减振的二维振动控制装置，提出了变间隙一体化半主动控制策略，实现了对轴向振动和扭转振动的抑制。该项目的研究成果为提高机器人自动制孔系统的动态精度提供理论依据和方法，也为手术制孔机器人的振动控制和动态精度提高奠定了基础。